Bài giảng máy vô tuyến điện hàng hải

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
Tổ Hàng Hải Kỹ Thuật

BÀI GIẢNG

MÁY VÔ TUYẾN ĐIỆN
HÀNG HẢI

HP: 011002

(Tài liệu lƣu hành nội bộ)

1


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1.

HỆ THỐNG LORAN C .................................................................... 4

1.1

Khái niệm hệ thống LORAN-C ......................................................................... 4

1.2

Nguyên lý xây dựng hệ thống............................................................................ 4

1.3

Xác định vị trí tàu bằng LORAN C ................................................................... 9

1.4

Độ chính xác của LORAN C ........................................................................... 11

CHƢƠNG 2.

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS ...................................... 13

2.1

Khái quát chung về hệ thống GPS ................................................................... 13

2.2

Nguyên lý hoạt động của GPS ......................................................................... 16

2.3

Các nguyên nhân gây sai số định vị ................................................................ 31

2.4

Vi phân GPS .................................................................................................... 36

2.5

Ứng dụng hệ thống GPS trong hàng hải .......................................................... 39

2.6

Khai thác máy thu GPS ................................................................................... 41

CHƢƠNG 3.

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG AIS ................................. 42

3.1

Giới thiệu chung về hệ thống AIS ................................................................... 42

3.2

Khai thác máy thu AIS .................................................................................... 54

CHƢƠNG 4.

HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ HIỂN THỊ HẢI ĐỒ ĐIỆN TỬ .. 55

4.1

Giới thiệu chung về hệ thống ECDIS .............................................................. 55

4.2

Khai thác sử dụng thiết bị ECDIS ................................................................... 60

CHƢƠNG 5.

NGUYÊN LÝ CỦA RADAR HÀNG HẢI ..................................... 62

5.1

Khái quát chung về radar ................................................................................. 62

5.2

Nguyên lý hoạt động của radar hàng hải ......................................................... 62

CHƢƠNG 6.

THƠNG SỐ CỦA RADAR ............................................................. 67

6.1

Thơng số khai thác ........................................................................................... 67

6.2

Thông số kỹ thuật ............................................................................................ 72

CHƢƠNG 7.

MỤC TIÊU, ẢNH TRÊN MÀN HÌNH RADAR........................... 76

7.1

Mục tiêu radar .................................................................................................. 76

7.2

Các loại ảnh ảo trên màn hình radar ................................................................ 76

7.3

Mục tiêu nhân tạo ............................................................................................ 78

7.4

Các yếu tố ảnh hƣởng đến ảnh và tầm xa Radar ............................................. 79

CHƢƠNG 8.

CÁC KHỐI CƠ BẢN CỦA RADAR HÀNG HẢI ........................ 82
2


8.1

Khối anten........................................................................................................ 82

8.2

Khối chuyển mạch ........................................................................................... 87

8.3

Khối phát ......................................................................................................... 90

8.4

Khối thu ........................................................................................................... 87

8.5

Khối chỉ báo................................................................................................... 105

CHƢƠNG 9.

CHẾ ĐỘ ĐỊNH HƢỚNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG ........................ 115

9.1

Các chế độ chỉ báo màn ảnh .......................................................................... 115

9.2

Các chế độ chuyển động ................................................................................ 116

CHƢƠNG 10. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ ARPA ......................... 118
10.1

Tổng quan về ARPA...................................................................................... 118

10.2

Nguyên lý hoạt động của ARPA ................................................................... 120

10.3

Tiêu chuẩn của IMO đối với ARPA .............................................................. 121

CHƢƠNG 11. ỨNG DỤNG CỦA RADAR TRONG HÀNG HẢI ..................... 126
11.1

Trình tự vận hành và điều chỉnh Radar ......................................................... 126

11.2

Khai thác các chức năng cơ bản .................................................................... 127

11.3

Khai thác các chức năng nâng cao................................................................. 129

11.4

Công tác kiểm tra và bảo dƣỡng Radar ......................................................... 131

CHƢƠNG 12. KHAI THÁC SỬ DỤNG MỘT SỐ RADAR HÀNG HẢI ......... 132
Phụ lục

CÁC ĐẶC TÍNH TIÊU CHUẨN THEO IMO ĐỐI VỚI RADAR
HÀNG HẢI

Tài liệu tham khảo

3

CHƢƠNG 1

1.1

HỆ THỐNG VÔ TUYẾN DẪN ĐƢỜNG LORAN – C

Khái niệm hệ thống LORAN – C
Loran-C là hệ thống Vô tuyến dẫn đƣờng sử dụng sóng vơ tuyến mặt đất để xác

định vị trí ở tầm xa, đƣợc phát triển dựa trên nền tảng của hệ thống Loran A. Hệ thống
dùng sóng vơ tuyến tần số thấp LF ( khoảng 100kHz ) dƣới dạng xung. Tầm xa hoạt
động có thể đến khoảng 2000 hải lý nhờ sử dụng tần số thấp, đƣờng cơ sở dài. Loran-C
kết hợp cả nguyên lý của hai hệ thống trƣớc đó là Decca và Loran-A nên còn gọi là hệ
thống Xung-Pha.
Hiện tại Loran C đang dần đƣợc thay thế bởi các hệ thống định vị vệ tinh. Tuy
nhiên một số khu vực vẫn sử dụng hoặc duy trì và nâng cấp nhƣ là hệ thống dự phòng.
1.2

Nguyên lý xây dựng hệ thống

1.2.1 Cơ sở lý thuyết:
Máy thu Loran C sẽ thu nhận sóng vơ tuyến từ các đài phát, và xác định hiệu
thời gian truyền sóng giữa máy thu với trạm chủ ( Master) và trạm phụ (Slave). Từ đó
sẽ có đƣờng vị trí (Line of Position-LOP)là đƣờng đẳng hiệu thời gian, chính là quỹ
tích các điểm có cùng giá trị hiệu thời gian đến các trạm chủ và trạm phụ (là đƣờng
hyperbol).
Xác định hiệu khoảng cách đến 02 cặp trạm Chủ - Phụ ta sẽ thu đƣợc 02 đƣờng
vị trí, từ đó sẽ xác định đƣợc vị trí tàu (vị trí máy thu).

4


Trong hệ thống Loran C, tín hiệu vơ tuyến dƣới dạng xung đƣợc phát liên tục từ
trạm chủ M và trạm phụ S.
Khoảng cách từ vị trí tàu P đến các trạm lần lƣợt là DM và DS, tƣơng ứng với
thời gian truyền sóng là tM và tS.
Ta có:

Δt

=> / DM - DS /

=

/ tM - tS /

=

/ DM - D S /

=

Δt.C

Nhƣ vậy với 1 giá trị hiệu thời gian thu đƣợc sẽ cho ta 02 đƣờng vị trí đối xứng
với nhau qua đƣờng trung tâm, tức là hệ thống có tính lưỡng trị.

5

Để loại trừ tính lƣỡng trị ngƣời ta dùng kỹ thuật tạo thời gian trễ để đảm bảo tín
hiệu từ trạm phụ ln đến sau tín hiệu từ trạm chính. Trong 1 chu kỳ phát, đầu tiên
trạm chính M sẽ phát tín hiệu. Trạm phụ S sẽ chờ cho đến khi nhận đƣợc tín hiệu từ
trạm chính mới phát tín hiệu của trạm mình. Nhƣ vậy trạm phụ ln phát trễ hơn trạm
chính 1 khoảng thời gian bằng thời gian truyền sóng giữa trạm chủ và trạm phụ ( thực
tế sẽ cịn có 1 khoảng thời gian trễ khác do độ ì thiết bị). Khi đó tính lƣỡng trị của hệ
thống đã đƣợc loại trừ, giản đồ đƣờng vị trí sẽ có dạng nhƣ sau:

6


1.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Hệ thống Loran-C bao gồm các trạm phát trên bờ, máy thu Loran-C và các hải
đồ chuyên dụng Loran-C. Ngoài các trạm phát chính và trạm phụ cịn có một hệ thống
điều khiển và giám sát, tính tốn thời gian.
Một trạm chủ và từ 2 đến 4 trạm phụ hợp thành một chuỗi trạm (mắt xích).
Trạm chủ đƣợc gán tên M và các trạm phụ lần lƣợt mang tên W, X, Y, Z nhƣ mơ tả
trên hình

Một trạm chủ phối hợp với 2, 3 hoặc 4 trạm phụ hình thành một mắt xích LoranC. Đƣờng cơ sở của một cặp trạm M và S (đƣờng nối giữa 2 trạm) có chiều dài 800

7


~1200 hải lý. Bằng cách bố trí nhƣ hình, trong tình huống bình thƣờng, ngƣời sử dụng
có thể nhận đƣợc các đƣờng vị trí có góc giao nhau hợp lý.
Để phân biệt tín hiệu từ các trạm phụ với nhau, đảm bảo tránh nhiễu sóng giữa
các trạm phụ và tính đơn trị, các trạm phụ sẽ phát theo 1 trình tự nhất định. Theo đó,
nếu chuỗi có 3 trạm sẽ phát theo thứ tự M-X-Y, 4 trạm là M-X-Y-Z, nếu 5 trạm sẽ là

M-W-X-Y-Z.
Để thực hiện phát theo trình tự này các trạm phụ cũng áp dụng nguyên tắc tạo
thời gian trễ tƣơng tự nhƣ trên.
Các trạm trong 1 mắt xích phát tín hiệu đồng bộ theo một trật tự nghiêm ngặt từ
trạm chính đến trạm phụ cuối cùng. Tín hiệu của trạm phụ gồm một bó 8 xung, mỗi
xung có chiều dài 200 μs, giãn cách các xung là 1000 μs. Tín hiệu trạm chính gồm 9
xung (để phân biệt với tín hiệu trạm phụ) gồm 8 xung giống nhƣ trạm phụ và xung thứ
9 cách xung thứ 8 một khoảng 2000 μs (xem hình vẽ).

Bắt đầu chu trình phát, trạm chính phát tín hiệu của nó gồm 1 nhóm 9 xung. Khi
xung trạm chính truyền tới trạm phụ thứ nhất thì trạm phụ này giữ chậm lại một
khoảng thời gian nhất định nào đó rồi phát tín hiệu của nó gồm một nhóm 8 xung. Khi
8


xung tín hiêu trạm phụ thứ nhất này truyền tới trạm phụ thứ hai thì trạm phụ này cũng
giữ chậm lại một khoảng thời gian rồi phát tín hiệu của nó gồm một nhóm 8 xung… cứ
nhƣ vậy cho tới trạm phụ cuối cùng. Khi xung trạm này truyền tới trạm chính thì trạm
chính sẽ giữ chậm lại một khoảng thời gian rồi phát xung tín hiệu của nó gồm một
nhóm 9 xung, bắt đầu chu trình phát tiếp theo.
1.3

Xác định vị trí tàu bằng máy thu Loran-C:
Việc xác định vị trí tàu bằng hệ thống LORAN-C thơng qua sử dụng máy thu để

xác định thông số của cặp đƣờng vị trí LOPs hoặc thơng số tọa độ vị trí tùy thuộc vào
loại máy thu. Có 2 loại máy thu Loran C:
- Máy thu lƣỡng dụng A/C: dùng phƣơng pháp đo xung đồng bộ bằng nhân
công. Loại máy thu lƣỡng dụng chỉ cho biết hiệu thời gian, việc xác định vị trí phải
dùng hải đồ chuyên dụng. Độ chính xác của loại này khơng cao, hiện nay đã khơng cịn

sử dụng.

Với các máy thu lƣỡng dụng (cổ điển), sử dụng màn chỉ thị để hiển thị tín hiệu
các trạm chính và trạm phụ trên màn ảnh, muốn xác định đƣợc vị trí tàu, sau khi thu
9


đƣợc hiệu thời gian của các cặp trạm trên máy thu, ta phải hiệu chỉnh sai số song
truyền, sau đó đƣa các giá trị hiệu thời gian này thao tác trên các hải đồ chuyên dụng
có vẽ sẵn mạng lƣới đƣởng đẳng trị Hyperbol, từ đó có đƣợc vị trí tàu. Nếu chạy tàu
đại dƣơng thì thƣờng phải sử dụng hải đồ chun dụng Loran-C có tỉ lệ xích rất nhỏ,
trên hải đồ này thƣờng thiếu nhiều thông tin cần thiết để dẫn tàu. Do đó hải đồ chuyên
dụng nhƣ vậy thƣờng chỉ dùng để xác định vị trí, sau đó phải chuyển các vị trí này lên
hải đồ đi biển để dẫn tàu. Nếu chạy tàu ven biển, hải đồ chạy tàu cũng đƣợc in các
mạng lƣới Hyperbol của mắt xích Loran-C bao phủ khu vực đó, ta có thể thao tác trực
tiếp trên hải đồ chạy tàu này để xác định vị trí bằng Loran-C.

Trƣờng hợp khơng có hải đồ chuyên dụng Loran-C, nhƣng nếu có các bảng tốn
Loran-C thi ta có thể sử dụng để tính tốn ra vị trí tàu. Nguyên tắc của phƣơng pháp
này là sử dụng giá trị hiệu thời gian đo đƣợc trên máy thu để tính tốn vẽ trực tiếp
đƣờng Hyperbol vị trí lên hải đồ. Việc vẽ này đƣợc thực hiện bằng cách tìm giao của
đƣờng vị trí Hyperbol với hai đƣờng kinh độ hoặc vĩ độ chẵn liên tiếp nằm gần với vị
trí dự đốn tàu ta. Sau đó nối hai giao điểm này để có đƣờng vị trí Hyperbol.

10


- Máy thu tự động: sử dụng phƣơng pháp thu mã pha xung, kỹ thuật tƣơng
quan tự động. Máy thu tự động có thể cho biết đƣợc thơng số vị trí tàu. Độ chính xác
cao, sử dụng đơn giản.

Các máy thu Loran-C cải tiến ngày nay đƣợc trang bị bộ xử lý để có thể nhanh
chóng tính tốn vị trí tàu và hiển thị liên tục vị trí tàu theo kinh vĩ độ khi tàu đang nằm
trong tầm bao phủ của một mắt xích Loran-C và máy thu đã đồng bộ đƣợc với mắt xích
đó. Ngƣời sử dụng có thêm thời gian để phân tích đánh giá độ chính xác của vị trí thu
đƣợc và xử lý, sử dụng các vị trí này để dẫn tàu.
1.4

Độ chính xác của vị trí xác định bằng Loran-C:
Độ chính xác thiết kế của hệ thống Loran-C là 0.25 hải lý trong phạm vi tầm

bao phủ của mắt xích. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân nên thực tế sai số có thể lớn
hơn hay nhỏ hơn giá trị nói trên. Sau đây là một số nguyên nhân ảnh hƣởng đến độ
chính xác của vị trí xác định bằng Loran-C:
- Góc giao giữa các đường vị trí và Gradient của các đường vị trí Loran
- Độ ổn định của tín hiệu phát đi từ trạm phát
11


- Các thơng số điều khiển của mắt xích Loran (ví dụ thời gian trễ thực tế có
đúng với thời gian trễ thiết kế không, đang sử dụng trạm kiểm tra của khu vực nào…)
- Mức nhiễu ồn trong không khí và nhân tạo xung quanh máy thu.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền sóng (thời tiết, ảnh hưởng các mùa
trong năm, ảnh hưởng ngày đêm...)
- Các nhiễu loạn bất thường của tầng ion
- Chất lượng và độ nhạy máy thu
- Nhiễu ồn điện trên tàu
- Độ chính xác của mạng lưới đường vị trí Hyperbol trên hải đồ
- Độ chính xác của thuật tốn máy tính trong máy thu trong việc chuyển đổi tọa
độ

- Sai số ở khâu người sử dụng.
Ngoài ra, việc lựa chọn các cặp trạm trong mắt xích sao cho có đƣợc góc giao
tốt nhất giữa các đƣờng vị trí cũng có ảnh hƣởng rất lớn đến độ chính xác định vị.

12


CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
2.1.

Khái quát chung về hệ thống GPS

2.1.1 Giới thiệu:
Từ năm 1973, Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS (Global Positioning System)
được Bộ Quốc Phòng Mỹ đưa vào sử dụng. GPS có độ chính xác cao hơn bất kỳ hệ
thống xác định vị trí nào đang tồn tại, với tầm hoạt động toàn cầu. Kế hoạch dự tính
là độ chính xác tiêu chuẩn cho người sử dụng là 100m (dân sự). Riêng đối với lực
lượng quân đội Mỹ và NATO cũng như một số đối tượng đượng được cho phép khác
thì độ chính xác sẽ là 16m.
Ngoài việc định vị không gian 3 chiều (kinh độ, vó độ độ cao so với mực nước
biển) GPS cũng cung cấp cho người sử dụng những thông tin về tốc độ và giờ thế
giới.
2.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống GPS bao gồm 3 khâu chính: vệ tinh, hệ thống điều khiển và người
sử dụng.

Khâu vệ tinh:

13

Bao gồm 24 vệ tinh, các vệ tinh này được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo
nghiêng 550 so với mặt xích đạo. Mỗi quỹ đạo có cao độ danh nghóa là 20183 Km.
Khoảng thời gian cần thiết để bay quanh một quỹ đạo tương ứng là 12 giờ hành
tinh, bằng một nửa thời gian quay của trái đất, nên mỗi vệ tinh bao phủ một vùng
như nhau hai lần trong một ngày. Mỗi vệ tinh phát ra 2 tần số vô tuyến phục vụ
mục đích định vị: L1 trên tần số 1575.42 Mhz và L2 trên tần số 1227.6Mhz. Các tần
số sóng mang được điều biến bởi 2 mã ngẫu giả nhiên và một thông điệp dẫn
hướng đường đi. Các tần số sóng mang và công việc điều biến được điều khiển bởi
những đồng hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh. Các vệ tinh hoạt động dưới sự giám sát
của khâu điều khiển.

Sơ dồ bố trí các vệ tinh của GPS (a: đang hoạt động; s: dự trữ)
14


Khâu điều khiển:
Bao gồm các trạm giám sát (monitor) ở Diego Grarreia Đảo Ascension,
Kwajalein và Hawaii, ngoài ra còn một trạm điều khiển chính tại trung tâm điều
hành không gian thống nhất tại Colorado Spring, tiểu bang Colorado Hoa Kỳ. Mục
đích của khâu đuiều khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ
đạo của chúng, xử lý các đồng hồ nguyên tử, truyền các thông điệp cần phổ biến
lên các vệ tinh.

Các trạm quan sát (Monitor) và điều khiển (Master Control) của GPS

Khâu sử dụng:
Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân
sự. Các máy thu riêng biệt được trang bị máy tính điện tử theo dõi các mã hoặc
phase của các sóng mang và trong hầu hết các trường hợp điều tiếp nhận các thông

điệp phát tin( broadcast message) từ vệ tinh. Bằng cách so hàng tín hiệu từ vệ tinh
tới bản sao của mã phát được ghi trong máy thu, người ta có thể xác định được 3
giá trị tọa độ địa tâm của máy thu. Đối với các công tác trắc địa chính xác, người ta
còn đo và ghi nhớ phase tần số của mã hoặc sóng mang để xử lý về sau.

15


2.2.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

2.2.1 Nguyên lý xác định vị trí của GPS:
Để đơn giản trước tiên ta giả sử rằng vị trí vệ tinh đã biết và vệ tinh cùng
người quan sát được trang bị đồng hồ điện tử đồng bộ với nhau. Người sử dụng thời
điểm vệ tinh phát tín hiệu theo đồng hồ của mình và nhận được tín hiệu t giây sau
đó.
S2
S1

D1=C.t1

D2=C.t2

Vị trí ngƣời quan sát

Rđ
Tâm O trái đất

16

Như vậy thời gian truyền sóng là t và quãng đường đi được là D=C.t. Do đó
vị trí người quan sát ở trên một mặt cầu có bán kính R=C.t, tâm là vị trí vệ tinh vào
thời điểm phát tín hiệu. Giao của mặt này với mặt đất là một đường tròn có tâm cầu
là giao của đường nối tâm trái đất với vệ tinh và bề mặt trái đất. Thực hiện đồng
thời như thế với một vệ tinh thứ hai nó cho ta một đường tròn vị trí nữa (hình 11).
Hai đường này sẽ giao nhau tại hai giao điểm, trong đó có vị trí người quan
sát. Thường hai điểm này thƣờng rất xa nhau nên dễ dàng xác định đƣợc vị trí ngƣời
quan sát dựa vào vị trí dự đốn.
Như vậy với hai vệ tinh là đủ để xác định kinh vó độ. Tuy nhiên thực tế lại có
một giá trị chưa biết khác đó chính là sai số giữa đồng hồ của người quan sát với
đồng hồ vệ tinh. Do đó đòi hỏi phải sử dụng 3 phương trình khoảng cách tới vệ tinh.
Ngoài ra đối với ngành hàng không còn phải xét độ cao so với mặt đất (ở tàu
độ cao so với mặt biển luôn xác định được) nên cần có ít nhất 4 vệ tinh.

Máy thu GPS thu tín hiệu từ 4 vệ tinh, tính tốn xác định 4
đại lƣợng chƣa biết là toạ độ (X,Y,Z) và thời gian GPS (T)

Nhằm đạt độ chính xác cao, vị trí hình học của vệ tinh phải sao cho các đường vị trí
cắt nhau tạo góc càng gần 900 càng tốt .
17


Như vậy, để xác định vị trí, có 3 vấn đề chính cần phải giải quyết:
1) Xác định vị trí vệ tinh
2) Xác định khoảng cách chính xác từ máy thu đến vệ tinh
3) Xác định tọa độ người quan sát
 Xác định vị trí vệ tinh :
Như đã nói ở trên, vị trí người quan sát có thể xác định bằng khoảng cách tới

4 vệ tinh khi biết vị trí các vệ tinh đó vào thời điểm phát tín hiệu.
Ngược lại với 4 trạm quan sát có vị trí đã biết khi nhận được tín hiệu phát đi
từ một vệ tinh sẽ xác định được vị trí của vệ tinh lúc phát. Biết vị trí vệ tinh lúc đó
cũng như các lực mà vệ tinh phải chịu, trạm điều khiển có thể tính toán để xác định
lịch “thiên văn” của vệ tinh và dự đoán vị trí của nó ở bất kỳ thời điểm nào trong
nhiều vòng quỹ đạo sau đó.
Bốn trạm quan sát không chỉ thu tín hiệu của riêng một vệ tinh, thay vào đó
sẽ nhận tín hiệu của tất cả các vệ tinh khi có thể. Từng trạm quan sát sẽ xác định
thời điểm đến của tất cả các tín hiệu vệ tinh nhận được và truyền thông tin này (dựa
trên đồng hồ trạm theo dõi-in GPS time) đến trạm điều khiển. Từ 4 vị trí đã biết
của trạm quan sát và thời điểm đến của tín hiệu mà trạm điều khiển không chỉ xác
định vị trí vệ tinh trong không gian 3 chiều mà cả thời điểm các tín hiệu rời vệ tinh.
Căn cứ trên các số liệu này, vị trí tương lai mới của vệ tinh, sai số đồng hồ mới
được xác định và các trạm phát dẫn động phát trở lại đến các vệ tinh. Vệ tinh sẽ lưu
lại thông tin này trong bộ nhớ của nó rồi phát đến người sử dụng ở những khoảng
thời gian đều đặn.
Với độ cao 20200 Km các trạm theo dõi có thể thu được tín hiệu vệ tinh trong
một thời gian dài ở mỗi vòng quỹ đạo. Nhờ đó trạm điều khiển đủ khả năng quan
sát và sát định lịch trình cho từng vệ tinh .
 Phương trình khoảng cách
Trong hệ thống GSP, vệ tinh phát tín hiệu tại thời điểm tsv (theo GPS time)
mà người sử dụng đã biết. Giá trị hiệu chỉnh cho tsv được từng vệ tinh phát đến
người sử dụng. Trên đồng hồ người sử dụng thời điểm đến của tín hiệu là tu.
Nếu đồng hồ của vệ tinh và người sử dụng đồng bộ, khoảng cách lan truyền của tín
hiệu sẽ là : C (tu - tsv).
Tuy nhiên đồng hồ của người sử dụng có 1 độ lệch chưa biết so với đồng hồ
vệ tinh. Giả sử đồng hồ của người sử dụng chậm hơn so với đồng hồ vệ tinh 1 lượng
tbias. Như vậy thời gian truyền của tín hiệu laø :
t = tu + tbias - tsv
18

Và khoảng cách giữa vệ tinh với người sử dụng là :
D = Ct = C(tu - tsv) +C.tbias (phương trình khoảng cách)
Trong công thức:
C( tu-tsv) gọi làø khoảng cách giả
Khoảng cách không đổi C.tbias phải được thêm vào khoảng cách giả để bù
cho sai khác giữa các đồng hồ (tbias=const).
 Hiệu chỉnh cho thời điểm phát tín hiệu tsv:
Vệ tinh phát tín hiệu tại thời điểm tsv theo đồng hồ của mình. Tuy nhiên thời
điểm này có thể tăng hay giảm một lượng tsv so với giờ chuẩn GPS. Giá trị này
được trạm điều khiển xác định, sau đó các trạm dẫn đồng phát cho từng vệ tinh
riêng lẻ, rồi vệ tinh phát đến người sử dụng. Máy thu của người sử dụng sẽ hiệu
chỉnh giá trị này trong qúa trình sau đó. Với sai số là 1 nanogiây (1 nanosecond=109
s) của tsv sẽ sinh ra sai số khoảng cách = 3.10.8.10-9 = 0,3m.

tGPS=0

thiệu chỉnh

tbias

tsv=0
tu - tsv tu

t
tGPS
tmáy thu

tmáy thu=0

Như vậy việc xác định khoảng cách đến vệ tinh của máy thu GPS chính là việc xác
định thời điểm điểm đến của tín hiệu từ vệ tinh. Nguyên tắc xác định thời điểm đến
của tín hiệu được trình bày ở nội dung “Tín hiệu vệ tinh và mã hóa tín hiệu”
 Xác định vị trí người quan sát
Lập một hệ trục tọa độ vuông góc có gốc trùng tâm trái đất .
Mặt phẳng tọa độ (x-y)  mặt phẳng xích đạo, trục x nằm trong mặt phẳng
kinh tuyến Greenwich

19


Z

P

X

Y

Ta biết rằng với 2 điểm bất kỳ P1 (x1, y1,z2) và P2 (x2, y2,z2) thì khoảng cách
P1 P2 được xác định bởi công thức :
P1 P2 =

( x1  x2 )2  ( y1  y2 )2  ( z1  z2 )2

(32)

Như vậy nếu người sử dụng có toạ độ P (xu, yu, zu) và 1 vệ tinh (thứ i) có toạ
độ S1 (x1,y1,z1) thì ta có phương trình :

( x1  xu )2  ( y1  yu )2  ( z1  zu )2 = C (tu + tbias - tsv)

 (x1 -xu)2 + (y1 - yu)2 + (z1 - zu)2 = C 2 (tu + tbias - tsv)2 (33)
Thời điểm tsv cho từng vệ tinh là đã biết, như vậy còn 4 giá trị chưa biết là
xu,yu,zu và tbias  ta phải cần 4 phương trình độc lập, tức là cần phải có 4 vệ tinh
đồng thời. Từ công thức(33) suy ra 4 phương trình laø:
(x1-xu)2+(y1-yu)2+(z1-zu)2=C2(tu1+tbias-tsv1)2
(x2-xu)2+(y2-yu)2+(z2-zu)2=C2(tu2+tbias-tsv2)2
(x3-xu)2+(y3-yu)2+(z3-zu)2=C2(tu3+tbias-tsv3)2
(x4-xu)2+(y4-yu)2+(z4-zu)2=C2(tu4+tbias-tsv4)2

(34)

20


Nếu coi trái đất là một mặt cầu bán kính R, thì phương trình mặt cầu là:
R2=xu2 +yu2+zu2
Khi đó chỉ còn có 3 ẩn, tức chỉ cần 3 phương trìng trình và 3 vệ tinh là đủ xác
định vị trí người quan sát. Nếu người quan sát có đồng hồ nguyên tử có khả năng
xác định tbias thì chỉ cần 2 vệ tinh là đủ để định vị. Điều này cho phép GPS có thể
được sử dụng để định vị khi mà số lượng vệ tinh còn hạn chế.
2.2.2 Tiêu chuẩn thời gian và tần số GPS
 Tiêu chuẩn thời gian:
Hệ thống định vị toàn cầu được sử dụng đo thời gian để tính khoảng cách tới
vệ tinh phục vụ cho việc xác định vị trí. Do vậy yêu cầu đầu tiên đặt ra là tất cả
phải đồng bộ chính xác. Như ta đã biết trong hàng hải vô tuyến điện một phần tỷ
giây (1 nanosecond) tương ứng 0,3m khoảng cách. Yêu cầu đồng bộ chính xác
nhưng không cần phải hiệu chỉnh liên tục đã được giải quyết bằng cách sử dụng
đồng hồ nguyên tử Rubidi và Cesium.

Qua số liệu ở bảng dưới ta thấy đồng hồ nguyên tử Rubidi ổn định hơn loại
Cesium trong khoảng thời gian nhỏ hơn một phút. Nếu so sánh trong khoảng thời
gian dài hơn thì loại Cesium có tốc độ ( chính xác) ổn định cao nhất để đảm bảo độ
chính xác của hệ thống, việc đo thời gian phải ổn định tốt trong cả khoảng ngắn lẫn
khoảng dài, cho nên các vệ tinh dùng cả hai loại đồng hồ nói trên.
Nếu đồng hồ Cesium khởi động từ 1250 năm trước công nguyên thì đến năm
1992 đồng hồ có độ chính xác trong phạm vi 1 giây. Việc đồng hồ hóa tần số và
đồng hồ của hệ thống định vị toàn cầu được tiến hành thông qua khâu điều khiển.
Nó giám sát tất cả các đồng hồ thông qua các trạm kiểm tra. Số hiệu chỉnh của mỗi
đồng hồ được phát cùng với số hiệu chỉnh chung. Các vệ tinh phát số hiệu chỉnh
đồng hồ như một phần của bản tin hàng hải.
ĐẶC ĐIỂM

Hydrogen
Maser

Bộ dao động Bộ dao động đ/k
đ/k tia Cesium
tế bào hơi Rubidi
21


ỔN ĐỊNH
(Độ lệch BPTB
so với giá trị
trung bình)
1 giây
1 phút
1 giờ
1 ngày

Độ trôi thống kê
Giá thành
sánh

so

5.10-13
6.10-11
3.10-14
2.10-14
Không thể nhận
ra 1.10-12/1 năm
5,5

5.10-11
6.10-12
8.10-13
3.10-13
trong 1 năm

1.10-11
2.10-12
1.10-12
5.10-12
3.10-11

1,5

Tất cả các tần số, tất cả các hoạt động được động bộ với các đồng hồ vệ tinh trên
tần số 10,23 Mhz

(Megabit/giây) – 1.023.000 bit/giây)
(Megabit/giây:Mbps)
Hàng ngày độ lệch của đồng hồ cực đại là 10-12 Mhz. Trạm điều hành chính
có khả năng điều khiển thời gian, tần số và pha. Mã PRN được đồng bộ thời
gian,tần số và pha. Mã PRN được đồng bộ thời gian và duy trì trong khoảng thời
gian 976  s (micro giây) so với thời gian của hệ thống.
Các đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh hiện rõ hiệu ứng tương đối và hệ
thống định vị toàn cầu là một ví dụ thực tế là thuyết tương đối tổng quát và riêng
biệt Anhstanh.
Do có tốc độ tương đối giữa đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trên mặt đất
nên giả sử một đồng hồ trên vệ tinh được xem như bị chậm nếu tần số thu nhập
thấp hơn tần số quy định.Đây chính là tình tương đối riêng biệt.
Ngoài ra còn có hiệu ứng khác. Một đồng hồ bị chậm hơn so với đồng hồ
khác khi nó đặt ở vùng có trường có hấp dẫn cao hơn. Đó là thuyết tương đối tổng
quát. nh hưởng của trọng lực ngược lại trong thuyết tương đối riêng biệt. Hai loại
lực này phủ nhận nhau nếu vệ tinh ở trên quỹ đạo có bán kính =1,5 bán kính trái
đất.Nhưmg thực tế quỹ đạo vệ tinh GPS có độ cao gần 4 lần bán kính trái đất nênâ
đồng hồ của vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ trên trái đất. Nếu không tiến hành
22


hiệu chỉnh thì chúng sẽ bị lệch +38  s/1 ngày. Độ lệch này tương ứng với cự ly sai
lệch 11 Km
 Tín hiệu vệ tinh và mã hóa tín hiệu
- Tần số của tín hiệu vệ tinh:
Mọi thành phần của tín hiệu GPS đều dựa trên cơ sở tốc độ dơ bản của đồng
hồ Cacsium là f0=10,23 Mhz. Trên thực tế, tốc độ đồng hồ vệ tinh được cố ý đặt
thấp hơn 4,45.10-10 so với giá trị f0 (tức tần số chỉ còn f = 10229999,995 45 Hz, f0 là
giá trị danh nghóa) để bù trừ các hiệu ứng tương quan trung bình : tổng hiệu ứng
tương quan tổng quát tạo bởi trung bình chênh lệch thế trọng lực giữa vệ tinh và

người sử dụng và hiệu ứng tương quan đặc biệt nảy sinh do tốc độ tương đối trung
bình giữa vệ tinh và người sử dụng.
nhân :
-

Để tạo sóng mang người ta dựa vào tần số cơ bản f0 . Tần số này sẽ được
f0 x 154 tạo tần số L1 = 1575,42 Mhz ( = 19cm).
F0 x 120 tạo tần số L2 = 1227,6 Mhz ( = 24cm).

Hai tần số này sử dụng làm tham số sóng mang, phát tín hiệu tới người sử
dụng.

X

1227,6

Đồng
hồ
X
154

1575,42

10,23Mbi
ts/s
Điều biến bởi mã
P
10,23 Mbits/s
Điều biến bởi mã
Mã P :

10,23Mbits/s
10,23Mbits/
s
1,023

23


Đường lan truyền và qua đó thời gian lan truyền của tín hiệu chịu ảnh
hưởng của sự khúc xạ ở tầng ion. Do đó sẽ sinh ra sai số trong việc s9o khoảng
cách. Với việc phát mã chính xác (P code – precision code) ở 2 tần số L1 & L2 sẽ
xác định được các sai số đó và áp dụng trong thời gian truyền. Mã tiêu chuẩn (mã
thu thô - C/A - coarse acquisition code) chỉ phát ở tần số L1.
-

Tương quan tự động :
Giả sử có hai đường cong hiệu điện thế biến đổi bất kỳ:
t

t

Khi hiệu điện thế này dương, hiệu điện thế kia có khả năng + hoặc – (cùng
khả năng) và ngược lại. Do đó lấy trung bình tích hiệu điện thế tức thời trong một
thời gian đủ dài, ta sẽ có giá trị trung bình là 0.
Cho hai đường cong giống nhau nhưng lệch nhau về thời gian, khi đó tích
hiệu điện thế tức thời có cùng khả năng dương hoặc âm. Tuy nhiên nếu dịch
chuyển cho trùng thời gian thì khi đó hiệu điện thế tức thời sẽ đồng thời + hoặc –
nên tích của chúng luôn +
t

t

24


Khi đạt vị trí trùng nhau này, trung bình các tích sẽ đột ngột tăng đến cực đại
rồi sau đó đột ngột trở về 0.
Phương pháp này cho phép xác định một cách chính xác hiệu điện thế đường
cong giống nhau có cùng pha hay không. Nó được gọi là tương quan tự động hay
tương quan chéo.
Thay cho đường cong hiệu điện thế bất kỳ như trên vệ tinh phát đi các tín
hiệu bao gồm các chuỗi hiệu điện thế dương hoặc âm (chips) (hình 17). Thời gian
kéo dài của các chip gọi là độ dài chip. Một chuỗi như thế gọi là chuỗi “ tín hiệu
ngẫu nhiên giả” PRN (Pseudo Random Noise).

Ví dụ về một đoạn mã PRN
Vệ tinh phát đi kế tiếp nhau các chuỗi giống nhau. Chuỗi này được tạo bởi bộ
ghi xê dịch. Ở mỗi vệ tinh bộ này có thể tạo rất nhiều chỗi khác nhau chuỗi nào
dùng ở vệ tinh sẽ trạm điều khiển quy định dẫn động sẽ phát lệnh đến vệ tinh cho
biết chuỗi được chọn. Máy thu của người cũng có một bộ ghi xê dịch như thế. Khi
được báo về mã tín hiệu (dạng chuỗi) bộ này sẽ phát ra chuỗi giống như chuỗi được
chọn (để phát ở vệ tinh).
-

Các mã PRN (Psendo Random Noise Code)

Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng 2 loại mã nhiễu ngẫu nhiên giả PRN.
Mã C/A : Mã tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service) phục vụ định vị
chính xác.
Tần số sóng mang L1 được điều biến bởi mã P và C/A và dữ kiện hàng hải.

Tần số sóng mang L2 được điều biến bởi mã P và dữ kiện hàng hải.
Mỗi vệ tinh phát đi hại loại mã : C/A và P
25